点源红外探测器信号预处理电路的研究

陈倩，高丹，曹璨，李文通，王瑞芬



点源红外探测器信号预处理电路的研究

陈倩1,2*，高丹1,2，曹璨1,2，李文通1,2，王瑞芬1,2

（1.上海航天控制技术研究所，上海，201109；2.中国航天科技集团公司红外探测技术研究中心，上海，201109）

针对传统红外点源探测器信号预处理电路，在多目标的情况下，强目标形成脉冲信号的充放电过程会导致弱目标脉冲信号无法被采集的问题，提出了一种利用快速恢复二极管箝位电路，缩短信号预处理电路电容放电时间电路设计方法。利用快速恢复二极管导通电流大的特性，加速信号输出端的滤波电容的放电过程，使得弱目标尽可能被完整提取。通过理论计算和仿真的结果，表明该设计方法可以有效缩短滤波电容的充放电时间，最大程度地保留弱目标脉冲信号的信息特征。

点源探测器；预处理电路；多目标；快速恢复二极管；充放电时间；信息特征

引言

红外点源探测技术产生于上世纪40年代中期,经过50多年的发展,由于具有效费比高、被动探测，能探测低空目标等优点，在近程防御导弹上被广泛应用。点源探测器在对多目标进行探测时，传统信息预处理电路处理目标脉冲信号时存在充放电过程，如果存在红外能量较高的目标，将会导致弱目标无法被探测到，损失探测信息。本文提出一种利用快速开关二极管箝位电路，缩短信号预处理电路电容放电时间电路设计方法，可以有效降低点源探测器对多目标探测时损失弱目标脉冲信号的概率。

1 红外探测信号预处理电路及红外信息处理基本框架

红外探测信号预处理电路主要对探测器经过读出电路输出的红外探测信号进行滤波和线性放大处理，提取出其中的脉冲信号，即红外信息信号，保留其脉冲信号特征，以供后级信息处理系统再进行复杂的运算处理，信息流程处理框图见图1。

图1 信息流程处理框图

2 传统预处理电路设计及存在的问题

红外探测器通过感应红外能量将红外光转换成电信号，同一个红外源被探测，经过光电转换和光机扫描形成一定周期出现的红外脉冲，如图2-a所示的红外探测信号（仿真）：

红外探测信号包含直流分量和脉冲信号，其中脉冲信号是红外探测器敏感红外目标源形成的，直流分量是红外探测器敏感红外背景形成的。一般来说，对红外探测信号首先进行线性放大，由于所需的脉冲信号叠加了直流分量，经过放大后得到的脉冲信号有超出电路输出范围的风险，所以为了将红外探测信号中的脉冲信号提取出来，先将红外信号经过高通滤波器，滤除直流分量，提取信号，仿真信号波形如图2-b所示：

由于滤波器中电容的充放电特性，经过高通滤波器之后的脉冲信号底部不是理想的零电平，有明显的充放过程，且充电的深度、放电时间与电容容值、脉冲信号的幅值相关。

当探测视场中存在多个红外目标时，红外探测信号为多个不同周期和幅值的脉冲信号。以视场中有两个红外目标A、B为例，A位于视场中心，能量较弱，形成的脉冲个数较多，B位于视场边缘，能量较强，形成的脉冲个数较少，探测器通过感应调制，输出的红外信号包含了幅值、周期不同的两种脉冲信号，仿真信号波形如下图3-a：

图3 多目标的红外探测信号

通过电容之后，目标B形成的脉冲信号幅值较高，其充放过程会使时序上近邻出现能量较弱的目标A的脉冲被下沉，严重时脉冲可能在零电平以下，无法被后级电路采集到，损失了有用的目标信息，仿真信号波形如图3-b。

假设信号B的幅值为V，脉宽为t，周期为T，信号A的幅值为V，脉宽为t，周期为T，由于目标A能量弱，形成的脉冲幅值低，其充放电影响较小，可忽略不计。近似计算，由信号B下降沿充放电产生反向电压峰值为：

V是电容初始电压，Vt为在t时刻电容电压，则根据公式（2），可计算出

3 解决方法

当存在多个目标时，并且其中有高能量目标，高能量目标脉冲幅值越高，脉宽越宽，电容充放电程度越大，信号下沉的幅度也越大，其他能量较低的目标无法被采集的风险越大。为了解决这个问题，电容之后增加了二极管箝位电路，原理见图4。二极管具有正向特性和反向特性，由二极管伏安特性曲线可知，当二极管上的正向电压较小时，正向电流小，几乎等于零。只有当二极管两端电压超过某一数值UON（死区电压）时，正向电流才明显增大，随着电压的升高，正向电流将迅速增大，电流与电压的关系基本上是一条指数曲线，由正向特性曲线可见，流过二极管的电流有较大的变化，二极管两端的电压却基本保持不变。

图4 改进电路原理图

如图4所示，虽然采用的是箝位电路形式，但选用的快速恢复二极管，利用其正向导通电流大的特性，缩短电容放电时间，在D1的正向端接VCC来平衡D1自身的死区电压，使得D1只会在红外信号幅值小于零时导通，而当红外信号幅值大于零时，D1相当于断路，与之前图2中所示的预处理电路无异，所以红外信号波形可以被完整保留。改进电路可以等效为如图5两种情况：

图5 电路等效简化图

R为二极管在导通时的等效电阻，后级电路的输入阻抗可看作是R与负载的并联阻抗。当V<0时，因为R远小于负载电阻，所以后级输入阻抗可看作是R，因为R阻值很小，负载输出近似为零，当V＞0时，因为R为∞，所以后级输入阻抗可近似等于负载阻抗。电路改进前后仿真图见图6：

图6 电路改进前后仿真图

4 仿真结果

根据以上理论描述，为方便仿真计算比较，设定信号A的幅值V=1V，脉宽t=0.2ms，周期T=2ms，假设信号直流分量为1V，二极管正向导通的等效电阻R=100Ω，C1=0.33μF，R1=R2=R3=R4=33kΩ，根据公式1、公式2可以得出：

表1 电路改进前后结果对比图

从仿真结果可以得出，改进前的状态信号B的幅值越大，脉宽越宽，信号B脉冲下降沿与信号A正向脉冲之间的间隔时间越长，说明丢失的信号A的脉冲个数越多，经过改进，即使当信号B幅值饱和，间隔时间也大大缩短。减小了近邻脉冲被充放电过程湮没的风险。改进后的电路在实际应用中可以有效缩短滤波电容的充放电时间，减少由于电容放电而丢失的弱目标脉冲的个数，最大程度地保留了弱目标脉冲信号特征。

5 结束语

在多红外目标信息预处理电路中，传统电路的处理方式存在高能量信号脉冲由于电容充放电特性带来的低能量信号脉冲丢失的问题，在原有设计的基础上，设计了快速充放电电路，通过理论计算和仿真试验，结果表明，该电路提高了在多目标环境下低能量信号脉冲特征被保留的完整性，有效降低有用信息脉冲丢失的概率，对红外探测系统中多目标红外信息识别、定位确定具有重要意义。

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Research on Infrared Point Source Detector Signal Preprocess Circuit

CHEN Qian1,2*, GAO Dan1,2, CAO Can1,2, LI Wentong1,2, WANG Ruifen1,2

（1. Shanghai Aerospace Control Technology Institute, Shanghai, 201109, China; 2. Infrared Detection Technology Research & Development Center of CASC, Shanghai, 201109, China）

In multiple target situation, signal preprocess circuit of traditional infrared point source detector may lose dim targets because of the strong targets’ discharge process through capacitor. This thesis suggests a solution that may shorten discharge time by using fast-recovery diode in form of clamping circuit. Due to large conduction current, the fast-recovery diode speeds up the discharging process. The theory analysis and stimulation data prove that the solution shortens the filter capacitor’s discharge time effectively and the preprocess system extracts the dim targets and reserves the target’s characteristics as much as possible.

point source detector; preprocess circuit; multiple target; fast-recovery diode; Charge and discharge time; Information feature

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.08.012

TN786

A

1672-9129(2017)08-0026-03

陈倩, 高丹, 曹璨, 等. 点源红外探测器信号预处理电路的研究[J]. 数码设计, 2017, 6(8): 26-28.

CHEN Qian, GAO Dan, CAO Can, et al. Research on Infrared Point Source Detector Signal Preprocess Circuit[J]. Peak Data Science, 2017, 6(8): 26-28.

2017-03-20；

2017-04-15。

陈倩（1984-），女，上海，工程师，学士，研究方向：战术导弹信号处理硬件系统设计。E-mail:2945715417@qq.com